서 론
저온저장은 수확 후에도 지속적으로 호흡하는 농산물의 호흡속도를 지연시켜 품질변화를 최소화시키는 저장기술이 다. 현재 국내 농가에서 사용되고 있는 대부분의 저온저장 고는 1990년대 초반부터 보급되기 시작하였으며 농산물의 품온을 낮추어 호흡량을 감소시키는 기초적 저장기술을 바 탕으로 하고 있다. 하지만 현대사회에 이르러 경제성장에 따라 양질의 농산물을 선호하는 소비형태가 늘고 있으며 전 통 방식의 저온저장을 통에서는 이를 만족시키기 어려워짐 에 따라 일반 저온저장에서 나아가 저장고 내 산소(O2) 농 도를 낮추어 농산물의 호흡률 및 이산화탄소(CO2) 발생을 제어함으로써 품질변화를 최소화하는 기체조절(controlled atmosphere; CA) 저장기술이 각광받고 있다(Lim et al., 2009).
일반 저온저장에 비하여 CA저장은 최대 2배 이상 저장 기간을 연장할 수 있으며, Park et al. (2003)에 따르면 후 지 품종의 사과를 상온, 저온 및 CA 저장했을 때 저장기 간을 각각 90일, 180일 및 250일로 연장할 수 있다고 보 고하였다. 이와 같이 후지 사과를 CA저장하기 위한 기체 조성 연구에서 각 연구자들은 최적 저장조건을 1.0-5.0% CO2/3.0% O2, 1.0-3.0% CO2/3.0% O2, 2.0-3.0% CO2/2.0- 3.0% O2, 1.5% CO2/1.0% O2 이하 및 1.0-3.0% CO2/0.5% O2 이하로 밝히고 있으며, 연구자간에 약 2.0%의 차이를 보이고 있다(Hong et al., 1997; Hong & Lee, 2003; Park et al., 2005; Kweon et al., 2013). 그러나 연구자들이 제시 한 O2 및 CO2 농도를 벗어나게 되면 내부갈변, 저산소장 해, 고이산화탄소장해 등의 CA 저장장해로 인한 상품성 손실이 나타났다고 보고하고 있기 때문에 CA 저장고의 기 체농도를 정밀하게 자동 제어할 수 있는 제어장치가 매우 중요하다.
CA 저장고 내 기체 조성방법에 따라 배출식(purge type) 과 순환식(circulation type)으로 구분할 수 있으며(Chong et al., 2013), 각 방식에서 기체 조성은 농산물 입고 후 O2 의 농도를 목표 수준까지 낮추는 단계와 농산물의 호흡에 의해 높아진 CO2와 감소한 O2 농도를 적정 수준으로 다시 조절하는 단계로 이루어진다. 순환식 CA에서 기체제어는 CO2 및 에틸렌제거기를 이용하여 저장고의 기체 농도를 적정 수준으로 유지시키는 방식으로 내부 기체를 순환시켜 CO2와 에틸렌을 제거하기 때문에 배출식에 비해 구조가 복잡하고 설치비용이 많이 든다. 반면 배출식 CA는 질소 (N2)를 공급하여 저장고의 기체 농도를 적정수준으로 조절 하는 방식으로 N2를 공급할 때 CO2, 에틸렌, 및 휘발성 가 스 등을 저장고 밖으로 배출시키기 때문에 별도의 장비 없 이 N2발생기만을 이용하여 저장고 내의 유해가스를 효과적 으로 제거할 수 있다. 이처럼 배출식은 순환식에 비해 구 조가 간단해 설치비용을 절감할 수 있는 반면 N2발생기를 매일 작동시켜 전기비용이 더 들어가는 단점도 있다(Adel, 2002).
본 연구에서는 구조가 간단하고 비용을 절감할 수 있어 우리나라 여건에 적합하다고 판단되는 배출식 CA컨테이너 를 개발하고 성능을 평가하고자 하였다. CA저장 컨테이너 의 성능평가는 수확후 관리매뉴얼에서 제시하고 있는 후지 사과의 CA저장 환경조건에 따른 컨테이너 내부의 온습도, O2 및 CO2 제어성능을 분석하고 성능을 평가하였다.
재료 및 방법
CA저장 실험 전후에 사과 60개씩을 무작위로 추출하여 경도, 산도, 당도를 분석하였다. 사과 과육의 경도는 texture analyzer (TA-XT2, Stable Micro System Ltd., Surrey, UK) 를 사용하여 penetration test를 수행하였다. 지름 5 mm puncture probe를 사용하였으며 test speed 2 mm/s 속도와 10 mm 깊이로 과육을 통과하였다. 적정산도는 시료 20 g 과 증류수 180 mL를 혼합한 뒤 균질화 하여, 균질화된 시 료 20 mL를 0.1 N NaOH 용액으로 pH 8.2가 될 때까지 적정하고 사과의 주요 유기산 인 malic acid 함량(%)으로 계산하였다. 사과 당도는 사과 과육을 착즙한 후 굴절당도 계(RX-5000α, Atago Co., Tokyo, Japan)로 측정하여 ºBrix 로 나타내었다.
CA저장 컨테이너는 컨테이너와 N2발생기로 구성되도록 제작하였다. 컨테이너의 기체농도는 온습도, O2 및 CO2를 동시에 측정할 수 있는 통합센서를 이용 컨테이너 내부의 환경을 감지하고, 제어장치를 통해 온도, O2 및 CO2 농도 를 설정하게 되면 온도는 냉동기에 의해 조절되며, O2 및 CO2 농도는 N2발생기와 5개의 전동밸브를 ON/OFF시켜 자동으로 제어되도록 개발하였다. 컨테이너의 크기는 길이, 가로, 높이가 각각 6.0×2.4×2.7 m이며, 상단에는 공기백(air breather bag)을 설치하여 온도변화로 인한 공기의 수축과 팽창에 따른 컨테이너 내외부의 압력 차를 상쇄하도록 설 계하여 기밀 및 형태를 유지하도록 설계하였다(Choi, 1997; Adel, 2002; Naro et al., 2003). N2발생기는 원형의 흡착제인 CMS (carbon molecular sieve)로 O2를 걸러내어 N2를 분리하는 PSA (pressure swing adsorption)방식의 N2 발생기(N2-PSA, Global Standard Air & Gas, Gwangju, Korea)를 주문 제작하였다(Chapon et al., 2004; Park et al., 2015). 내부 환경을 계측하기 위한 통합센서(VT250-02, Soha-tech, Seoul, Korea) 또한 주문제작 하였으며, 온도 및 습도 센서의 작동범위는 각각 -25.0-85.0℃ 및 0.0-100%, O2 센서와 CO2 센서의 작동범위는 각각 0.1-25.0% 및 0.00-5.00%로 제작하였다. 센서의 성능은 대기상태와 혼합 가스(2.0% O2, 0.5% CO2)를 이용하여 검증하였다.
제작된 컨테이너의 기체제어 성능을 분석하기 위하여 시 간 단축실험을 수행하였다. 총 12일의 성능평가기간 동안 온도는 0℃, 습도 90-95%로 설정하였으며, 초기 3일간은 N2주입 없이 저온저장을 유지하면서 외기(20.9% O2, 0.03% CO2) 유입밸브 제어를 통해 CO2 농도를 0.5% 이하로 유 지하는 지연 CA기간을 부여하고, 저장고 내 기체조성 후 3일간의 초기 CA저장에서는 N2발생기에서 생성된 98% N2 (2% O2, 0.03% CO2)와 N2밸브를 제어하여 CO2 0.5% 에 O2 2%로 유지하고, 장기 CA저장에서는 CO2 1.0%에 O2 2%로 유지하는 기간을 6일로 설정하였다. CA컨테이너 제어장치의 정상작동 판단 범위는, 온도는 0-0.5℃에서 냉동 기와 제상작업이 이루어지지 않는 동안은 90% 이상의 습도 를 유지해야 한다. 또한 CA컨테이너 내부의 기체농도는 3 일 후 O2가 2%로 낮아져서 6일까지 CO2가 0.1%에서 0.5% 범위 내에서 조절되어야 하며, 6일 이후부터 CO2 농도가 0.1%에서 1.0%범위 내에서 조절되도록 제어되어야 한다.
결과 및 고찰
개발된 CA저장 컨테이너는 Fig. 1A와 1B에 나타내었다. 이는 크게 저장 컨테이너 및 N2발생기로 구성되어 있으며, 컨테이너 내부에는 냉각을 위한 열 교환기 및 내부 환경을 계측하고 N2발생기를 제어할 수 있는 통합센서 및 제어모 듈이 존재한다. CA저장 컨테이너의 규격은 Fig. 1C에서 나타내는 바와 같이 내부체적 28.6 m3에 최대 사과적재량 은 5,616 kg이며, N2발생량은 6.0 Nm3/h로 50.6 m3 규모의 컨테이너 내부농도를 24시간 이내에 목표치 까지 낮출 수 있을 만큼 급속CA가 가능한 용량이다. 온도 및 습도 센서 의 작동범위는 각각 (-25.0-85.0)±0.5℃ 및 (0.0-100)±4.5% 이며, O2 센서와 CO2 센서의 작동범위는 각각 0.1-25.0% 및 0.00-5.00%에서 정밀도는 각각 ±0.22% 및 ±0.01%로 나타났다(Table 1). 개발된 CA저장 컨테이너에 사용된 N2 발생기 및 통합센서는 CA저장 기술을 국내보급하기 위한 저변기술 확보 일환으로 순수 국산화를 달성하여 유지보수 및 경제성에서 장점을 가지며 그 성능 또한 우수하여 추후 CA저장 기술보급에 기여할 것으로 예상된다.
| Test Condition | Atmospheric gases | Mixture gas at 0.0°C | Error | ||
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| General | Measured | Mixed | Measured | ||
| Oxygen (%) | 20.94 | 20.50 | 2.00 | 2.00 | 0.22 |
| Carbon dioxide (%) | 0.04 | 0.06 | 5.00 | 0.49 | 0.01 |
농산물은 수확 후에도 지속적인 호흡작용을 하게 되며 사과의 경우 내부에 축적된 저장양분이 산화되는 과정에서 O2를 흡수하여 CO2, 수분 및 호흡열을 방출하게 된다 (Chung & Choi, 1999; Park et al., 2005). 또한 사과는 호 흡 급등형(climacteric) 과실로서 수확시기에 따라 호흡율 및 노화에 직접영향을 미치는 에틸렌 생성량에 차이를 나 타내며 적숙과를 이용한 저장이 이루어져야 한다(Kweon et al., 2010). 하지만, 본 연구는 CA저장 컨테이너가 설정 한 값대로 정밀하게 제어되는지를 평가하는데 초점을 맞추 어 짧은 기간 동안 사과를 CA저장하였기 때문에 Table 2 와 같이 저장 전후의 사과의 품질조사의 차이는 나타나지 않았다. CA 저장 컨테이너에 사과를 입고한 후의 내부 온 도 및 상대습도 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 컨테이너 내 부의 온도는 3.27시간 만에 28℃에서 0℃로 낮아졌고, 0℃ 에서 0.5℃로 온도가 상승하는데 소요되는 시간은 52분 이 였으며 다시 냉동기가 동작하여 0.5℃에서 0℃로 온도를 다시 내리는 시간은 10분이 소요되었다. 컨테이너 내부의 습도는 초기 온도를 0℃로 낮추기 위하여 냉동기가 동작하 는 구간에서는 상대습도가 64%에서 33%가지 크게 감소하 였으나 목표온도에는 90.0% 이상을 유지하였고 냉동기의 제상단계 및 열교환기 동작 구간에서는 일시적으로 습도가 85%까지 낮아졌다. 하지만 열교환기 가동 중 나타나는 저 습도 문제는 대부분의 농산물 저장고에서 나타나는 현상 으로 이러한 습도 편차를 줄이기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보여진다. 또한 O2흡착제(carbon molecular sieve; CMS)를 이용한 N2발생기에서 분리된 N2의 습도는 8% 가량으로 반복적으로 투입 시 상대습도가 낮아지는 문 제가 발생되지만 본 연구에서 개발한 CA저장 컨테이너에 서는 분리된 N2를 물속으로 통과시켜 88% 가량의 고습도 로 만들어 해결하였고 상대습도가 낮아지는 현상은 발생하 지 않아 CMS방식의 질소발생기 이용이 효율성 및 경제적 측면에서 적절할 것으로 판단된다.
| Instrumental attribute value | Before CA storage | After CA storage |
|---|---|---|
| Firmness (N) | 15.30 | 15.20 |
| Titratable acidity (%) | 0.30 | 0.29 |
| Total soluble solids (°Brix) | 14.90 | 14.90 |
CA저장 컨테이너는 O2의 농도를 낮게 유지하면서 농산 물을 저장하는 기술로서 컨테이너의 기밀여부에 따라 성능 이 크게 좌우된다. 기밀이 유지되지 않는다면 컨테이너 내 부의 O2 농도가 지속적으로 상승하게 되고 이를 낮추기 위 해서는 N2를 자주 공급하게 된다. 이에 따른 N2발생기와 냉동기의 잦은 동작은 에너지소비를 증가시키고 저장 환경 의 불안정화를 유발해 농산물의 품질저하로 인한 경제적 손실을 가져오게 된다. CA저장 컨테이너의 기밀성 평가를 위하여 컨테이너에 공기를 주입하여 양압이 걸린 상태와 공기를 축출하여 음압이 걸린 상태에서 압력변화를 측정하 여 Fig. 3에 나타내었다. 컨테이너 내부의 온도는 36.7- 37.2℃일때 양압의 경우는 35 mmH2O에서 10 mmH2O까 지 감소하는데 120분이 소요되었으며, 음압은 35 mmH2O 에서 8.0 mmH2O까지 감소하는데 60분이 소요되었다. Adel (2002)의 연구에 따르면 CA저장에 적합한 기밀기준 은 양압이 25 mmH2O에서 반감기가 20분 이상으로서 감 압율은 0.625 mmH2O/min 이하이다. 본 연구에서 개발한 CA컨테이너의 감압율은 양압의 경우가 0.21 mmH2O/min, 음압의 경우가 0.45 mmH2O/min로서 기밀성능이 매우 우 수한 상태라고 판단된다.
컨테이너의 기밀에 따른 기체조성 유지성능은 Fig. 4에 나타내었다. 농산물이 없는 상태에서 N2를 주입하여 O2 농 도가 21%에서 2.0%로 감소하는데 13.8시간이 소요되었고, O2 농도가 2.0%에서 N2 공급이 중단되어 2.0-2.1% 사이의 기체 안정화 구간이 2시간 가량 존재하였으나 이후 안정화 되어 19.5시간 동안 2.1%를 유지했고, 47.3시간 동안 2.2% 로 유지되어 우수한 결과를 보였다. 실제 농산물의 CA저 장에서는 12시간 간격으로 CO2 농도조절을 위한 N2 공급 이 이루어지기 때문에 O2 농도 또한 12시간만 유지되어도 CA저장이 가능하다. 따라서 본 연구에서 개발된 CA저장 컨테이너의 기밀 및 기체조성 유지성능은 CA저장에 적합 하다고 판단된다.
CA저장은 저장고 내 기체농도의 정밀제어 능력에 따라 농산물의 저장품질 및 저장기간이 좌우되기 때문에 저장기 간 동안 지정된 기체조성을 정밀하게 자동 제어할 수 있어 야 한다. 수확후 관리매뉴얼에 제시된 ‘후지’ 사과의 CA저 장 환경과 본 연구에서 수행된 단축실험 CA환경을 Table 3에 나타내었다. 사과의 CA저장 과정은 저온저장을 통하 여 사과의 갈변 원인으로 밝혀진 밀병을 소멸시키기 위한 지연 CA 단계(Kweon et al., 2013), 호흡증가에 따른 CO2 관리단계 및 장기저장단계로 구성된다. 이러한 3가지 단계 에 따른 CA저장 컨테이너의 O2 및 CO2의 자동제어 성능 분석 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 작동개시 후 76시간까지 1단계 지연CA 구간으로 사과의 호흡에 의하여 O2를 소모 하고 CO2 방출을 통해서 저장고 내 CO2 농도가 증가하게 된다. 이때 자동제어 시스템이 외기를 유입하도록 하여 O2 농도 20.9%를 회복하고 CO2를 0.1%로 조절하게 됨에 따 라 O2는 20.9-20.3%로 유지 되었고 CO2는 O2 농도에 반 비례해서 0.1-0.5%에서 주기적으로 증감이 나타났다. 이후 CA저장 단계에 접어들어 87시간까지 99% N2 (1% O2, 0.03% CO2)가 공급되어 O2 농도가 20.7%에서 2.0%까지 낮아졌다. CO2 농도는 0.5%에서 0.1%까지 낮아져서 질소 가 계속 공급되더라도 그 이하로는 감소하지 않았다. 이는 사과의 호흡에 의해서 CO2가 지속적으로 컨테이너 내부에 축적되고 있기 때문으로 판단된다. CA저장 단계에서는 사 과의 호흡에 의한 O2의 소비 및 CO2 증가가 98% N2 (2% O2, 0.03% CO2) 공급에 의하여 조절되며, 2단계 초기 CA 저장 구간에서는 CO2 농도가 0.5%에 도달하면 N2발생기 가 동작하여 CO2가 0.1%에 도달할 때까지 N2가 공급되어 O2 농도 또한 2.0%로 회복되는 것으로 O2 농도는 2.0- 1.7%에서, CO2는 0.1-0.5%에서 반복적으로 증감을 나타내 었다. 이와 같은 원리로 151시간 이후 3단계 CA저장 구간 에서 O2 농도는 2.0-1.5%, CO2는 0.1-1.0%에서 반복적으 로 증감을 나타내었다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발한 CA저장 컨테이너의 제어시스템과 N2발생기를 통하여 정밀 한 기체제어가 가능하다는 것을 보여준다. 따라서 본 연구 에서 개발한 CA저장 컨테이너는 농산물 입고 후 간편하게 자동제어를 통해 장기 CA저장이 가능 할 것으로 판단된다.
| Step1) | Manual2) | This study | ||||
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| O2 | CO2 | Period | O2 | CO2 | Period | |
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| Delayed CA | - | - | 21 day | - | 0.1-0.5% | 3 day |
| Pre CA storage | 2% | 0.5% | 3 month | 1.0-3.0% | 0.1-0.5% | 3 day |
| CA storage | 1-3% | 1% | shipping date | 1-3% | 1.0↓ | 6 day |
Postharvest technology manual (Park et al., 2005).
요 약
본 연구에서는 우리나라 여건에 적합하다고 판단되는 배 출식 CA컨테이너를 개발하고 성능을 평가하였다. CA컨테 이너 제어장치의 성능은 수확후 관리 매뉴얼에서 제시한 후지 사과의 CA저장 방법에 따라 산소 및 이산화탄소 농 도의 정밀제어 능력을 평가하였다. 본 연구에서는 CA컨테 이너의 성능을 평가하기 위하여 사과 4.5톤을 적재하고, 온도는 0-0.5℃, 지연CA기간은 3일, 이산화탄소 농도를 0.5%이하로 조절하는 기간은 3일, 이산화탄소 농도를 1.0% 이하로 6일간 저장하는 단축실험을 수행하였다. 그 결과 온도는 0.0-0.5℃, 습도는 냉동기 가동과 제상이 진행 될 때를 제외하고는 90.0% 이상을 유지하였다. CA컨테이 너의 기밀성능을 판단하기 위한 감압율은 양압에서 0.21 mmH2O/min, 음압 0.45 mmH2O/min로 CA저장고의 기밀 유지기준 보다 2배 이상 우수한 것으로 나타났다. 또한 컨 테이너 내부의 기체농도는 후지 사과입고 후 6일까지 이산 화탄소가 0.1-0.5%, 이후에는 0.1-1.0%로 정밀하게 제어되 었으며, CA 기체조성 후 산소의 농도는 2%가량으로 유지 되었다. 따라서 본 연구에서 개발한 CA저장 컨테이너는 정밀자동제어가 가능하며 모든 CA저장 요구조건을 충족시 켜 상용화가 가능하다고 판단된다.
